(57)【要約】  本発明は、固体吸着剤を含む吸着装置、蒸発器、凝縮器または蒸発器／凝縮器、および作動回路内の作動媒体を有する吸着ヒートポンプであって、作動回路は、蒸発器と吸着装置と凝縮器との間または蒸発器／凝縮器と吸着装置との間の気体半回路であって、作動媒体は気体である気体半回路と、蒸発器と凝縮器との間に構成され、作動媒体が液体である液体半回路とを有し、液体半回路は、作動媒体と混合され得る液体機能性媒体を含み、作動媒体の蒸気圧を２５℃で０．２ミリバール未満の蒸気圧に低下させる。吸着器、蒸発器、凝縮器または蒸発器／凝縮器、および吸着器と蒸発器と凝縮器との間を循環する作動媒体を含む作動回路を有する吸着ヒートポンプの操作方法において、作動媒体は、作動回路を通過するときに、液体半回路内で蒸気圧を低下させる液体機能性媒体と混合され、作動媒体は、作動回路の気体半回路への移送前に機能性媒体から分離される。【選択図】図１
2019510954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体吸着剤含む吸着装置（Ａｄ）、蒸発器（Ｖ）ならびに凝縮器（Ｋ）または蒸発器／凝縮器（Ｖ／Ｋ）、および作動回路（Ａ）内の作動媒体を有する吸着ヒートポンプであって、
前記作動回路は、前記蒸発器と前記吸着装置と前記凝縮器との間または前記吸着装置の前記蒸発器／凝縮器間の気体半回路（Ｇ）であって、前記作動媒体が気体である気体半回路と、前記蒸発器と前記凝縮器との間に構成され、前記作動媒体が液体である液体半回路（Ｆ）とを有し、
前記液体半回路（Ｆ）は、前記作動媒体と混合され得る液体機能性媒体を含み、前記作動媒体の蒸気圧を低下させる、吸着ヒートポンプ。
【請求項２】
前記凝縮器（Ｋ）から前記蒸発器（Ｖ）に通じる前記液体半回路（Ｆ）に混合枝路（Ｍ）が設けられ、混合枝路（Ｍ）には前記作動媒体内に枯渇機能性媒体がある混合物が存在し、
前記蒸発器（Ｖ）から前記凝縮器（Ｋ）に通じる機能性媒体戻り部（ＲＦ）が存在し、機能性媒体戻り部（ＲＦ）には、前記作動媒体内に機能性媒体で富化された混合物が存在する
ことを特徴とする、請求項１に記載の吸着ヒートポンプ。
【請求項３】
前記液体半回路（Ｆ）は、前記機能性媒体を含むリザーバ（Ｒ）を有し、供給ラインおよび排出ラインは、前記リザーバ（Ｒ）と前記蒸発器（Ｖ）および／または前記凝縮器（Ｋ）との間および／または前記凝縮器（Ｋ）と前記蒸発器（Ｖ）との間の作動媒体の経路内に設けられることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の吸着ヒートポンプ。
【請求項４】
前記機能性媒体（ＦＭ）は、前記蒸発器内に永久的に残り、前記蒸発器内に貯蔵されることを特徴とする、請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載の吸着ヒートポンプ。
【請求項５】
前記凝縮器（Ｋ）と前記蒸発器（Ｖ）との間に別個の凝縮液戻り部（ＫＲ）が設けられ、そこを介して、前記蒸発器（Ｖ）内で進行する蒸発と前記凝縮器（Ｋ）内で進行する凝縮と同時に、前記凝縮器からの凝縮された作動媒体の一部の前記蒸発器内での蒸発プロセスへの移送が実現可能になることを特徴とする、請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項に記載の吸着ヒートポンプ。
【請求項６】
蒸発器／凝縮器（Ｖ／Ｋ）を有する一実施形態では、前記機能性媒体（ＦＭ）は、永久液体原料として前記蒸発器／凝縮器（Ｖ／Ｋ）内に存在することを特徴とする、請求項１に記載の吸着ヒートポンプ。
【請求項７】
前記機能性媒体（ＦＭ）または前記作動媒体と前記機能性媒体との混合物は、前記蒸発器（Ｖ）および／または前記凝縮器（Ｋ）または前記蒸発器／凝縮器（Ｖ／Ｋ）を外部熱源および／またはヒートシンクに接続する油圧回路であって、前記吸着ヒートポンプに向けて開放された油圧回路内の伝熱媒体として機能することを特徴とする、請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項に記載の吸着ヒートポンプ。
【請求項８】
前記リザーバ（Ｒ）は、前記作動媒体用の分離装置（Ｅ）として前記液体半回路（Ｆ）内に設けられ、そこで前記作動媒体と前記機能性媒体との分離が実現可能であり、前記作動媒体または前記機能性媒体は、富化された形態で分離領域から別個に排出可能であることを特徴とする、請求項１〜請求項７のうちのいずれか一項に記載の吸着ヒートポンプ。
【請求項９】
前記リザーバー（Ｒ）は、所定の分離温度に調温された容器であり、前記作動媒体と前記機能性媒体との臨界的な量的比率は分離温度に対応することを特徴とする、請求項８に記載の吸着ヒートポンプ。
【請求項１０】
前記機能性媒体（ＦＭ）は、特に、イミダゾリウム、ピリジニウム、ピロリジニウム、グアニジニウム、ウロニウム、チオウロニウム、ピペリジニウム、モルホリニウム、アンモニウムおよびホスホニウムの形態のアルキル化または非アルキル化カチオンと、ハロゲン化物、テトラフルオロボレート、トリフルオロアセテート、トリフラート、ヘキサフルオロホスファート、ホスフィナートまたはトシレートの形態のアニオンとからなるイオン液体であることを特徴とする、請求項１〜請求項９のうちのいずれか一項に記載の吸着ヒートポンプ。
【請求項１１】
前記機能性媒体（ＦＭ）は、濡れ促進添加剤であることを特徴とする、請求項１〜請求項１０のうちのいずれか一項に記載の吸着ヒートポンプ。
【請求項１２】
前記機能性媒体（ＦＭ）は、凍結防止剤および／または腐食防止剤であることを特徴とする、請求項１〜請求項１１のうちのいずれか一項に記載の吸着ヒートポンプ。
【請求項１３】
吸着器、蒸発器、および凝縮器または蒸発器／凝縮器の作動回路と、前記吸着器と前記蒸発器と前記凝縮器との間を循環する作動媒体とを備える吸着ヒートポンプの操作方法であって、前記作動媒体は、前記作動回路を通過するときに、液体半回路（Ｆ）内で、蒸気圧を低下させる液体機能性媒体と混合され、前記作動媒体は、前記作動回路の気体半回路（Ｇ）への移送中に、前記機能性媒体から分離される、操作方法。
【請求項１４】
前記凝縮器および前記蒸発器は、制御された凝縮液戻り部および／またはリザーバ（Ｒ）を介して相互に結合され、前記蒸発器内の前記作動媒体と前記機能性媒体との量的比率は、前記凝縮液戻り部を介して戻された前記作動媒体の量によって、または前記機能性媒体で富化された前記作動媒体の混合物の制御された回収によって設定されることを特徴とする、請求項１３に記載の吸着ヒートポンプの操作方法。
【請求項１５】
前記液体作動媒体は、遅くても前記液体半回路（Ｆ）から前記リザーバ（Ｒ）内の前記気体半回路（Ｇ）への移送前に、前記機能性媒体の同伴部分から分離され、前記リザーバ（Ｒ）から、発生中の分離部分からの前記作動媒体および／または前記機能性媒体が、前記吸着ヒートポンプの前記作動回路（Ａ）内の蒸発器（Ｖ）および／または凝縮器（Ｋ）内へ排出されることを特徴とする、請求項１３または請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記リザーバ（Ｒ）は、前記作動媒体と前記機能性媒体との混合物にとって特徴的な分離温度に調温されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記作動媒体と前記機能性媒体との分離は、前記蒸発器内で行われることを特徴とする、請求項１３〜請求項１６のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記機能性媒体または前記作動媒体と前記機能性媒体との混合物は、前記作動媒体と前記機能性媒体との所定の量的比率が設定された状態で、前記作動回路の前記液体半回路（Ｆ）内のリザーバ（Ｒ）に一時的に貯蔵され、前記リザーバ（Ｒ）から前記液体半回路内に放出されることを特徴とする、請求項１３〜請求項１７のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記リザーバ（Ｒ）からの前記機能性媒体は、前記蒸発器内に案内され、前記作動媒体の蒸気圧を低下させることによって、または前記作動媒体を流出させることによって、前記蒸発器内で作動媒体の蒸発が中断されることを特徴とする、請求項１３〜請求項１８のうちのいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載の吸着ヒートポンプと、請求項１３に記載の吸着ヒートポンプの操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸着ヒートポンプは、その基本構造において、蒸発器、凝縮器、および吸着器とからなる。このような設備の操作において、作動媒体がこれらの構成要素間を循環する。作動媒体は、第１のステップで吸着器で吸着される。その結果、作動媒体は蒸発器内の気相に流入し、そのことにより環境からの熱が蒸発器で取り込まれる。第２のステップでは、作動媒体が吸着器で排出される。この効果に必要な外部エネルギー供給は、例えば、廃熱を利用して行われる。排出された作動媒体は、凝縮器で再び液化され、その結果、熱を放出する。このプロセスにより、蒸発器からの熱が凝縮器の側へ送り出される。このようなヒートポンプは、部品を移動させずに実現され得る。
【０００３】
蒸発器および凝縮器は、１つの構成部品に組み合わせられる場合が多い。この構成部品は、この場合、いわゆる蒸発器／凝縮器を形成する。ここでは、作動媒体の凝縮および蒸発の両方が同じ場所で起こる。凝縮器と蒸発器とが機能的に交互に動作し、したがって、作業サイクルに応じて凝縮器と蒸発器の両方の機能を果たす複動式の吸着ヒートポンプも可能である。例えば、水が作動媒体として使用される。しかし、他の物質が使用されてもよい。
【０００４】
このような設備では、蒸発器は、所与の構成要素の大きさおよび表面で限られた量の作動媒体のみが蒸発され得るので、構造が性能制限効果を有する作動回路の構成要素であることが多い。例えば、メタノールまたはアンモニアを使用して、作動媒体を交換することにより、多少の性能向上は得られるかもしれないが、さらに、追加の不利益を犠牲にしてこの作動媒体を購入しなければならない。主に、水と比較して、代替の作動媒体は、可燃性および／または毒性を有するという欠点を有する。大局的な観点から、蒸発性能の向上の可能性は、この点に関しては、好ましくない関係しかない。
【０００５】
物質が溶解された液体の蒸気圧は、原則として、純粋な液体の蒸気圧よりも低いことは周知である。したがって、作動媒体を蒸発させるときのエネルギー消費量は、溶解物質の添加によって増加する。そのため、蒸発器の性能は、単位量ごとに向上する。例えば、水が作動媒体として使用される場合、例えば、塩が添加され得る。しかし、可溶性固形物の使用は、蒸発器内での望ましくない蓄積および結晶形成を伴い、蒸発器の腐食を促進し得る。
【０００６】
原則として、有機液体が蒸気圧を低下させるために作動媒体内に溶解される場合、作動媒体が蒸発するだけでなく、有機成分および考えられる分解生成物も気相に移行することになる。したがって、気相中のこれらの追加の成分は、真空系内の圧力を上昇させ、その結果、吸着器の性能が大幅に低下する。さらに、無機液体添加剤、例えば、酸による悪影響も生じる。これらの添加物もかなりガスを放出する。また、酸は、その強い攻撃性により、極めて不適切である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、課題は上記の欠点を克服することである。特に、言及されている不利な副作用が生じることなく、作動媒体の蒸気圧を低下させる可能性が提案されるべきである。さらに、腐食または霜に対して耐性が増すように吸着ヒートポンプの作動回路部品を設計すること、および作動媒体と蒸発器および凝縮器内の熱伝達面との間の濡れ挙動および熱接触を改善することも課題である。言及した欠点を回避することができるような、一方では、対応して改良された吸着ヒートポンプと、他方では、吸着ヒートポンプの操作方法とが望まれる。
【０００８】
上記課題は、請求項１の特徴を有する吸着ヒートポンプと、請求項１４の特徴を有する吸着ヒートポンプの操作方法とによって解決される。従属請求項は、装置および方法のそれぞれ適切および／または有利な構成を含む。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
吸着ヒートポンプは、固体吸着剤を含む吸着装置、蒸発器、凝縮器もしくは蒸発器／凝縮器、および作動回路内の作動媒体を備える。この場合、作動回路は、蒸発器と吸着装置と凝縮器または蒸発器／凝縮器との間の気体半回路であって、作動媒体が気体である気体半回路と、蒸発器と凝縮器との間に構成され、作動媒体が液体である液体半回路とを有する。液体半回路は、作動媒体と混合され得る液体機能性媒体を含み、作動媒体の蒸気圧を低下させる。
【００１０】
本発明の吸着ヒートポンプは、作動媒体が液体形態で作動回路内に存在する区間において、機能性媒体に混合されるという概念に基づいており、機能性媒体は、少なくとも作動媒体の特性においてプラスの影響を有する区間における媒体である。このことにより、作動媒体は実質的に気相に移行せず、特に吸着装置において著しく吸着も脱着もされない。
【００１１】
この挙動は、機能性媒体の低い蒸気圧、例えば、２５℃で作動媒体の蒸気圧より１％より低い蒸気圧によって保証される。したがって、２５℃で０．２ミリバールの蒸気圧を有する機能性媒体は、水の作動媒体に適している。
【００１２】
一実施形態では、凝縮器から蒸発器に通じる液体半回路内に混合枝路が設けられ、混合枝路内に機能性媒体と作動媒体との枯渇混合物が位置し、蒸発器から凝縮器へと通じる回路内には戻り枝路（ＲＦ）が存在し、戻り経路には、機能性媒体と水または純粋な機能性媒体との富化混合物が位置する。「富化」および「枯渇」という用語は、作動媒体中の機能性媒体の量的比率が富化状態では高い値を取り、それに対して、枯渇状態では低い値を取ることを意味する。
【００１３】
この実施形態では、機能性媒体のための回路が設けられ、機能性媒体は、作動媒体との混合物中に入り込み、一緒に搬送され、最後に少なくとも部分的に分離されて、富化混合物として戻され、再び作動媒体と混合されて枯渇混合物に入る。
【００１４】
さらなる実施形態では、液体半回路は、機能性媒体または機能性媒体と作動媒体との混合物を含む少なくとも１つのリザーバを有し、リザーバと蒸発器および／または凝縮器との間に、および／または凝縮器と蒸発器との間の作動媒体の経路内に、供給ラインおよび排出ラインが設けられる。この変形例では、機能性媒体はリザーバに一時的に貯蔵され、そこから分配され得る。リザーバと他の構成要素との間の物質の流れは、適切な弁によって互いに分離され得る。
【００１５】
さらなる実施形態では、機能性媒体は、蒸発器内に永久的に残り、そこに貯蔵される。この場合、蒸発器は、機能性媒体用のリザーバとして機能する。同時に、蒸発器の動作は、機能性媒体によってプラスの影響を受ける。
【００１６】
さらに別の実施形態では、凝縮液戻り部が凝縮器と蒸発器との間に設けられ、凝縮液戻り部を介して、蒸発器内での蒸発の進行および凝縮器内での凝縮の進行と同時に、凝縮器からの凝縮した作動媒体の一部が蒸発器内での蒸発プロセスに移行され得る。このことにより、作動媒体と機能性媒体との量的比率が所定範囲内になるように、蒸発器内での蒸発プロセスの間に制御することが可能になる。
【００１７】
蒸発器／凝縮器を有する一実施形態では、機能性媒体は、永久液体原料として蒸発器／凝縮器中に存在する。作動媒体は、機能性媒体へと凝縮し、機能性媒体から再び蒸発する。しかしながら、機能性媒体自体は、蒸発器／凝縮器内に残り、著しく吸着も脱着もされない。
【００１８】
さらなる実施形態では、機能性媒体は、蒸発器内および／または吸着ヒートポンプに向けて開放され、凝縮器または蒸発器／凝縮器を外部熱源および／またはヒートシンクに接続する油圧回路内の伝熱媒体として提供される。ここで、機能性媒体は、一方では作動回路における蒸気圧降下媒体として、他方では伝熱媒体として二重の機能を果たす。油圧回路が開放されているというのは、ここでは特に、油圧回路が熱伝達面を介して熱的に結合されていないことを意味する。むしろ、熱伝達は、作動媒体が機能性媒体へと直接凝縮するか、またはそこから蒸発するように行われ、したがって、作動媒体と機能性媒体との混合プロセスおよび分離プロセスによって熱が伝達される。
【００１９】
一実施形態では、液体半回路内のリザーバは、作動媒体と機能性媒体との所定の量的比率を設定するための計量ユニットとして機能する。
【００２０】
一実施形態では、リザーバは、作動媒体のための分離装置として構成され、作動媒体と機能性媒体との分離プロセスが実現され、修正された濃度の分離出口を介して作動媒体および／または機能性媒体が分離領域から排出され得る。
【００２１】
変形例では、リザーバは、所定の分離温度に調整された容器であり、作動媒体と機能性媒体との臨界的な量的比率は、分離温度に対応する。
【００２２】
一実施形態では、機能性媒体は、特に、イミダゾリウム、ピリジニウム、ピロリジニウム、グアニジニウム、ウロニウム、チオウロニウム、ピペリジニウム、モルホリニウム、アンモニウムおよびホスホニウムの形態のアルキル化または非アルキル化カチオンと、ハロゲン化物、テトラフルオロボレート、トリフルオロアセテート、トリフラート、ヘキサフルオロホスファート、ホスフィナートまたはトシレートの形態のアニオンとからなるイオン液体である。
【００２３】
さらなる実施形態では、機能性媒体は、濡れ促進添加剤である。さらなる実施形態では、機能性媒体は、凍結防止剤および／または腐食防止剤である。これらの薬剤および添加剤は、同時にイオン液体でもあり得る。
【００２４】
吸着器、蒸発器および凝縮器または蒸発器／凝縮器の作動回路および吸着器と蒸発器と凝縮器との間を循環する作動媒体を有する吸着ヒートポンプの操作方法は、作動媒体が、作動回路を通過するときに、液体半回路内で蒸気圧を低下させる液体機能性媒体と混合され、作動媒体が、作動回路の気体半回路へと移行する前に少なくとも部分的に機能性媒体から分離されるように、実行される。
【００２５】
この方法の１つの設計では、凝縮器および蒸発器は、制御された凝縮液戻り部によって相互に結合され、作動媒体と機能性媒体との量的比率は、凝縮液戻り部を介して戻される作動媒体の量によって設定される。
【００２６】
一実施形態では、液体作動媒体は、遅くとも液体半回路から気体半回路への移送前に、分離装置によって機能性媒体の同伴部分から少なくとも部分的に分離され、発生中の分離部分からの作動媒体および／または機能性媒体が吸着ヒートポンプの作動回路内の蒸発器および／または凝縮器内へと排出される。
【００２７】
一実施形態では、分離装置は、作動媒体と機能性媒体との混合物にとって特徴的な分離温度に調温される。
【００２８】
変形例では、作動媒体と機能性媒体との分離は蒸発器内で行われる。これは、特に吸着ヒートポンプの操作中の通常の蒸発プロセスにおいて行われる。
【００２９】
一実施形態では、機能性媒体または作動媒体と機能性媒体との混合物は、作動媒体と機能性媒体との所定の量的比率が設定された状態で、作動回路の液体半回路内のリザーバに一時的に貯蔵され、リザーバから液体半回路内に放出される。
【００３０】
一実施形態では、リザーバからの機能性媒体は蒸発器内へと案内され、作動媒体の蒸気圧を低下させることによって、または作動媒体の流出が実行されることによって、蒸発器内で作動媒体の蒸発が中断される。
【００３１】
本発明の吸着ヒートポンプおよび吸着ヒートポンプの操作方法を、例示的な実施形態に基づいてより詳細に後述する。添付図面は、理解の助けとなる。同じ参照番号は、同一の動作の同一の単数または複数の部品について使用されている。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１の実施形態の吸着ヒートポンプの例示的な構造を示す図である。
【図２】第２の実施形態の吸着ヒートポンプの例示的な構造を示す図である。
【図３】第３の実施形態の吸着ヒートポンプの例示的な構造を示す図である。
【図４】第４の実施形態の吸着ヒートポンプの例示的な構造を示す図である。
【図５】第５の実施形態の吸着ヒートポンプの例示的な構造を示す図である。
【図６】作動媒体混合物の戻り接続部を有する蒸発器の例示的な構造を示す図である。
【図７】機能性媒体の分離相の分離および戻りの例を示す図である。
【図８】凝縮液戻り部内に１つのリザーバ、機能性媒体戻り部内に１つのリザーバをそれぞれ有する例示的な吸着ヒートポンプを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１は、本発明に係る吸着ヒートポンプの第１の実施形態を示す。
【００３４】
吸着ヒートポンプは、本明細書では、例として２つの副吸着器Ａｄ１およびＡｄ２の形で形成された吸着装置Ａｄを含む。吸着装置は、切換弁Ｖ１〜Ｖ４によって切り換えられる。また、吸着ヒートポンプは、蒸発器Ｖと凝縮器Ｋとを含む。
【００３５】
作動媒体（例えば、水）は、吸着装置内の固体吸着剤に吸着される。このことにより、蒸発器Ｖ内で気体状態に変化する。同時に、蒸発器は環境からの熱を取り込む。さらなるステップでは、例えば、外部廃熱を供給することによって、作動媒体が吸着装置のために排出される。
【００３６】
気体状態になると、作動媒体は凝縮器Ｋに入り、そこで液化される。このときに、作動媒体は、吸着装置で供給された熱と共に蒸発器で受け取られた熱を放出する。液体状態の作動媒体は、戻り部を介して、蒸発器へと戻る。このことにより、吸着ヒートポンプの作動サークルが閉じられる。
【００３７】
したがって、蒸発器Ａと吸着装置Ａｄと凝縮器Ｋとの間に形成された作動回路Ａは、作動媒体が気体の形態で存在する区間と、作動媒体が液体の形態で存在する区間とを含む。作動媒体が気体である作動回路の部分を、以降は、気体半回路Ｇと呼ぶ。これに対応して、作動媒体が液体である区間を液体半回路Ｆと呼ぶ。
【００３８】
図１に示される例示的な実施形態および以降の図に特定される例示的な実施形態は共に、気体半回路Ｇにおけるプロセスが明確に言及されない限り、吸着ヒートポンプ作動回路の液体半回路Ｆにおけるプロセスにのみに関連する。
【００３９】
液体半回路Ｆ内で、作動媒体は機能性媒体と混合される。しかしながら、作動媒体が気相となった気体半回路Ｇ内には、機能性媒体は存在しない。これは、作動媒体が、遅くとも蒸発器Ｖにおいて機能性媒体から分離され、早ければ凝縮器Ｋ内での機能性媒体との混合接触に再び入ることを意味する。
【００４０】
このことにより、機能性媒体は、異なる役割を果たすことができる。この点に関して、本質的側面は、蒸発器Ｖ内での蒸発プロセス中の作動媒体の蒸気圧低下である。ここに示す例では、機能性媒体と混合された作動媒体は、液体半回路の混合枝路Ｍを介して蒸発器Ｖに入る。実行中の蒸発プロセスにおいて、作動媒体が機能性媒体から分離される。このことにより、機能性媒体は蒸発器内に残り、そこで蓄積される。その結果、作動媒体と機能性媒体との混合物中の量的比率が変化する。蒸発プロセス中の量的比率を再度設定するために、ここに示す例では機能性媒体戻り部ＦＲが設けられる。機能性媒体戻り部を介して、機能性媒体で富化された混合物が蒸発器Ｖから凝縮器Ｋに移送される。
【００４１】
ここに示す例では、機能性媒体戻り部ＦＲは、作動媒体の蒸発と凝縮が同時に行われる吸着ヒートポンプの動作モードに関連付けられる。この点に関連して、吸着装置Ａｄは、２つの副吸着器Ａｄ１、Ａｄ２に細分され、弁装置Ｖ１〜Ｖ４によって切り換えられる。第１の副吸着器Ａｄ１が吸着プロセスを実行して、蒸発器内で作動媒体を蒸発させる間、第２の副吸着器Ａｄ２は、凝縮器内で凝縮する作動媒体の脱着を行う。このように、時間的に同時に凝縮することで得られた凝縮液は、凝縮器から蒸発器に移送され、作動媒体と機能性媒体との量的比率を所定の値に設定する。
【００４２】
蒸発器に残っている機能性媒体は、ここに示す例の蒸発器から再び排出される。機能性媒体は、機能性媒体戻り部ＦＲを介して、凝縮器Ｋに戻る。このことにより、機能性媒体は、凝縮器中で、凍結防止剤、腐食防止剤、または凝縮器の濡れ促進液として作用することができる。
【００４３】
原理上は、吸着ヒートポンプの液体半回路Ｆは、図１の例では機能性媒体回路によって補完されており、機能性媒体は、ここでは凝縮器内の第１の点で作動媒体と混合され、その後、作動媒体と共に搬送され、最終的には、ここでは蒸発器内で作動媒体から分離され、そのときに、作動媒体との新たな混合接触の位置に再び戻される。
【００４４】
図２は、吸着ヒートポンプのさらなる例示的実施形態を示す。この場合も同様に、吸着ヒートポンプは、蒸発器Ｖと、吸着装置Ａｄと、凝縮器Ｋとを備える。ここでは蒸発器および凝縮器Ｋの両方が、外部熱交換器および熱搬送回路Ｗ１およびＷ２を介して、特に低温熱源および中温シンクとして形成され得る外部熱源およびヒートシンクに接続される。
【００４５】
ここに示す例では、機能性媒体はリザーバＲ内にあり、そこから蒸発器および／または凝縮器に供給されるか、リザーバに戻される。リザーバは、以下でさらに詳細に説明するように、様々な方法で形成され得る。ここでは、特に、機能性媒体が作動媒体から分離される分離装置が可能であり、分離された成分は、様々な量で、蒸発器、凝縮器、または液体半回路Ｆ内の任意の他の場所へと案内される。
【００４６】
図３は、熱搬送回路Ｗ１、Ｗ２が蒸発器Ｖおよび凝縮器Ｋにおける開油圧回路として形成された吸着ヒートポンプの一実施形態を示す。凝縮器において、そこに存在する熱搬送回路Ｗ２は、同様に、油圧で開放されるだけでなく、さらに閉鎖されるように形成され得る。
【００４７】
機能性媒体は、これらの開油圧回路内を循環し、したがって、吸着ヒートポンプの作動回路内の作動媒体に対して直接的な材料相互混合接触する熱伝達かつ熱伝導媒体としての役割を果たす。熱搬送回路内を循環する作動媒体と機能性媒体との混合物によって、特に、回路Ｗ１、Ｗ２が確実に凍結しなくなる。上述したように、機能性媒体と作動媒体の混合物は、蒸発プロセス中に蒸発器で分離され、作動回路の気体半回路Ｇ内に吸い込まれ、そこで機能性媒体は熱伝達回路Ｗ１内に残り、外部の低温源からの熱伝達によって冷却され、さらに蒸発プロセスに直接熱を供給する。
【００４８】
これに対応して、作動媒体は凝縮器内で凝縮して開油圧回路Ｗ２の機能性媒体に入り、機能性媒体に熱を放出し、この熱が中温シンクへと運ばれる。
【００４９】
図４は、機能性媒体が蒸発器Ｖ内にのみ設けられている吸着ヒートポンプの一実施形態を示す。この場合、作動媒体は、凝縮器Ｋから蒸発器Ｖへ液体の形態で流入し、蒸発器Ｖ内に存在する機能性媒体ＦＭと、低い蒸気圧を有する混合物を形成する。ここに示す実施形態は、実際には、さらに凝縮液戻り部を特徴とし得る。しかしながら、機能性媒体は、蒸発器から流されず、特に凝縮器内に流されない。しかし、機能性媒体は、図示されていないリザーバに収集され得る。
【００５０】
図４の実施形態では、蒸発器は、蒸発器機能とは別に、機能性媒体用のリザーバの機能と分離装置の機能を同時に果たす。
【００５１】
図５は、吸着ヒートポンプの一実施形態を示しており、蒸発器および凝縮器は、一体型蒸発器／凝縮器Ｖ／Ｋに構造的に組み込まれる。作動サイクルに応じて、蒸発器／凝縮器は、熱が取り込まれる作動媒体用の蒸発器として、または作動媒体が凝縮時に熱を放出する凝縮器として使用される。この場合、蒸発器／凝縮器は、一般に、状況に応じて切り替えられる外部熱伝達回路Ｗに結合され、熱伝達回路Ｗは、交互に低温源から熱を導入するか、または中温シンクに熱を放出する。
【００５２】
この実施形態では、気体半回路Ｇは、蒸発器／凝縮器Ｖ／Ｋと吸着装置Ａｄとの間の接続ラインで構成される。一方、液体半回路Ｆは、主に蒸発器／凝縮器のみで構成され、特に蒸発器／凝縮器の区間で構成されており、そこから作動媒体が凝縮する、またはそこで作動媒体が再び凝縮して液体の形態で存在し、機能性媒体と混合される。
【００５３】
この場合の機能性媒体ＦＭは、蒸発器／凝縮器内に永久的に存在する。これは、特に、凝縮された作動媒体が収集され、作動媒体が蒸発する始点の永久液体レベルを形成し得る。
【００５４】
一方、吸着装置には機能性媒体が存在しない。吸着装置では、混合されていない作動媒体は、固体吸着剤に吸着される、または個体吸着剤から脱着されるのみである。
【００５５】
以下では、吸着ヒートポンプの構成要素のうちのいくつかの構成要素および相互接続について、実施例に基づいてより詳細に説明する。この場合、イオン液体を機能性媒体とする。他の物質クラスも機能性媒体として使用され得ることを理解されたい。
【００５６】
以下の例示的な実施形態の説明において、以下の実施例では、作動媒体を水として説明する。当然、後述するようにイオン液体と相互作用する他の物質、例えば、アルカノールまたはアンモニアもこの効果に使用することができる。
【００５７】
かなり多くの異なる物質をイオン液体として使用することができる。このような物質は有機塩であり、様々な効果によってイオンにおける安定した結晶格子の形成が妨げられる。結晶構造を破壊するには、低い熱エネルギーでも十分である。したがって、イオン液体は、塩が溶媒中に溶解されない、特に室温の液体の塩である。
【００５８】
一般に、イオン液体は、液体物質にとって極めて低い蒸気圧、すなわち、作動媒体と比較して所与の周囲圧力で高い蒸発温度を特徴とする。このような液体は、低温範囲の吸着ヒートポンプにとって通常の温度では、実質的には気相に変化しない。２５℃で０．１ミリバール未満の蒸気圧を有するイオン液体が適している。さらに、吸着ヒートポンプの各々の作動範囲、すなわち異なる蒸気圧範囲に対して、適切な物質を見つけることを可能にする重要な多様性がある。
【００５９】
吸着ヒートポンプおよび吸着熱設備のこの例示的な実施形態では、比較的低い親水性を有するイオン液体が使用される。これらの液体は、作動媒体に追加のプラスの特性を付与する。イオン液体は、例えば、ｐＨ値の設定および緩衝作用、腐食防止作用および凍結防止効果をもたらす。さらに、蒸発器の濡れ挙動は、適切な粘度および密度の適切なイオン液体を選択することによって、プラスの影響を受け得る。
【００６０】
蒸発器内に作動媒体を適用することにとって重要なのは、作動媒体とイオン液体との量的比率である。この量的比率は、結果として生じる作動媒体の蒸気圧を決定する。作動媒体の蒸発により、イオン液体の蓄積が蒸発器内で生じる。このことにより、作動媒体とイオン液体とのイオンの量的比率が変化する。
【００６１】
作動媒体のイオン量的比率を所望の範囲に保つために、純粋で混合されていない作動媒体（すなわち、この例では、水）が追加で計量され得るか、またはイオン液体で富化された作動媒体の一部が作動回路から回収され、他の場所では作動回路へと再び導入され得る。
【００６２】
この純粋な作動媒体の追加の計量および／またはイオン液体で富化された作動媒体の成分の回収は、吸着ヒートポンプにおける蒸発プロセスの制御最適化のための追加の選択肢を生み出す。
【００６３】
イオン量的比率は、特に、作動媒体中の水混和性が限定されたイオン液体を使用することによって設定され得る。このような混合物では、臨界的なイオン量的比率未満の所定の温度で分離が起こり、イオン液体が存在する作動媒体のより高密度の相が送り出され得る。
【００６４】
イオン液体の作動回路への導入は、様々な方法で実施され得る。第１の選択肢は、外部リザーバ内に、作動媒体とイオン液体との混合物を原料として設けて、混合物を作動回路の適切な場所に供給することである。さらに、イオン液体をイオン液体用の容器に保持し、イオン液体を混合されていない状態で作動回路に供給することも可能である。
【００６５】
このことにより、作動回路の蒸発器または凝縮器が供給点として役立つ。
【００６６】
蒸発器へのイオン液体の供給は、例えば、作動媒体とイオン液体との混合物を供給することによって行われる。作動媒体は、蒸発器に供給されるときに、吸着ヒートポンプの作動サイクル中に気相に流入し、イオン液体は蒸発プロセスにプラスの影響を及ぼすが、そうでない場合は蒸発器に残る。この場合、蒸発器は、イオン液体を収集し、制御された方法で排出する必要がある分離装置としての機能を果たす。
【００６７】
イオン液体が凝縮器に供給されると、例えば、純粋な作動媒体がそこで最初に凝縮され、凝縮が完了した後にのみ時間内にイオン液体が加えられる。したがって、イオン液体は凝縮プロセス自体に影響を与えない。作動サイクルの次のステップにおいて、凝縮器が蒸発器としての機能を果たす場合、蒸発プロセスは、イオン液体と混合された作動媒体において実行される。このプロセスでは、イオン液体は、残っており、再び排出され得る。したがって、その後の凝縮プロセスは、イオン液体を含まない凝縮器内で実質的に混合されていない作動媒体によって再び実行される。
【００６８】
しかし、イオン液体は、蒸発器内で動かずに残ったままであってもよい。そのような場合には、蒸発器内でのイオン液体の蓄積が無条件に望まれる。このことにより、イオン液体を含まない作動媒体のみが残りの作動回路内を循環し、蒸発器内のイオン液体は主として作動媒体の蒸発特性に影響を及ぼす。蒸発器内のイオン量的比率を設定可能に構成するためには、この場合、凝縮器と蒸発器との間の直接凝縮液戻り部が使用される。
【００６９】
図６は、イオン液体またはイオン液体で富化された作動手段の戻り部を有する蒸発器の例示的な基本構造を示す。
【００７０】
蒸発器は、作動媒体の作動回路内の蒸気移送のための接続部１と、凝縮液戻り用の接続部２とを含む。接続部１は、蒸発器の吸着ヒートポンプの回路への通常の結合部を構成する。蒸発器は、接続部１を介して、図示されていない作動媒体用の吸着器に接続される。凝縮器からの混合されていない作動媒体は、接続部２を介して、吸着器を迂回することによって蒸発器に直接供給される。
【００７１】
さらに、イオン液体またはイオン液体で富化された作動手段の供給および／または戻りのための接続部３が設けられる。接続部３を介して、蒸発器へのイオン液体の充填を変更することができる。イオン液体は、接続部３を介して、イオン液体用のリザーバから供給されるか、または作動回路内に存在する計量装置から供給され、および／または対応する構成要素に排出される。
【００７２】
ここで、蒸発器は、調温回路４を介して低温源に結合され、そこから熱を受け取る。調温回路は、蒸発器内の熱伝達面で形成される。
【００７３】
作動媒体は蒸発器を通って流れ、このときに、調温回路の熱伝達面にぶつかる。このことにより、蒸発混合物層６が形成される。この混合物層は、異なる形で発生し得る。作動媒体が既にイオン液体を含む場合、この混合物層は、作動媒体が調温回路上に蓄積することによって発生する。しかしながら、イオン液体による調温回路の表面の永久的な被覆も可能である。このときに、作動媒体は、純粋な状態で被覆するイオン液体と接触し、イオン液体被覆と混合されて、混合物層が形成される。この混合物層内では、作動媒体の蒸発特性、特に、その蒸気圧が大幅に変更される。
【００７４】
蒸発プロセスの間、蒸発している作動媒体（この例では、水蒸気８）は、蒸発器の蒸気チャンバ５に流入し、図示されていない作動回路内の吸着器に向かって、接続部１から逃げる。イオン液体で富化された作動媒体は、接続部３を介して蒸発器から排出されてもよい。
【００７５】
図７は、イオン液体の分離および分離相の戻りの例を示す。ここでは、装置は分離装置Ｅとして構成される。しかし、装置は、蒸発器または凝縮器として操作されてもよい。
【００７６】
分離装置Ｅは、同様に調温回路４を介して調温される。調温回路は、イオン液体と最初に混合された作動媒体の浴中に少なくとも部分的に浸漬し、所定の温度でその作動媒体を維持する。この例では、作動媒体の体積内で蒸発混合物層６が発生する。
【００７７】
作動媒体は、液体形態で分離装置に流入する。この場合、作動媒体は、接続部２を介して供給されるが、接続部１を介して気体形態で分離装置Ｅを出る。
【００７８】
作動媒体（この場合では水である）は、イオン液体の部分を実質的に含まない水蒸気８として分離装置の蒸気チャンバ５に流入し、蒸気移送の接続部１を介して排出される。水は、接続２を介して、いつでも蒸発混合物層６に導入され得る。
【００７９】
分離装置において、作動媒体は、作動媒体自体とイオン液体部分との臨界的な量的比率を示す。この場合、この臨界的な量的比率で分離が生じるように、調温が設定される。そのことにより、イオン液体は、イオン液体相９の形態で分離装置の下方領域に蓄積され、そこから接続部３を介して排出され得る。蒸発作動媒体（この場合は水である）および相９内のイオン液体の両方が吸着ヒートポンプの蒸発器へと移送され得、所定の量的比率が作動回路の対応する部分に対して設定され得る。
【００８０】
しかしながら、作動媒体は、分離装置において必ずしも蒸発する必要はない。基本的には、作動媒体が分離され、２つの明確に識別可能な相に分離していれば十分である。このような場合、イオン液体をほとんど含まない作動媒体もまた、出口７を直接介して第１の相から対応する量で排出または供給され得、ほとんど混合されなかったイオン液体は、接続部３を介して相から対応する量で排出または供給され得る。
【００８１】
吸着器には、吸着剤が適切に充填される。ゼオライトは、より小さい分子サイズの範囲内の細孔径を有する多孔質系を特徴とする吸収剤として特に適している。この用途の典型的なゼオライトは、例えばＦＡＵ、ＬＴＡ、ＣＨＡ、ＡＥＩ、ＡＦＩ、ＭＦＩ、ＥＭＴおよびＭＯＲであるが、これらに限定されない。その細孔開口を通して、水およびアンモニアのような一般的な吸収剤が多孔質系に入ることができる。ほとんどの場合、イオン液体の複雑なアニオンおよびカチオンは、この効果を得るためには大きすぎる。本発明によれば、イオン液体は、例えば、ゼオライトの細孔に同様に入ることができるエチレングリコールのような蒸気圧低下または凍結防止効果のために使用され得る他の物質よりも適している。
【００８２】
図８は、分離装置Ｅを備えた吸着ヒートポンプの例示的な図を示す。吸着ヒートポンプのこの実施形態は、イオン液体が蒸発器および／または凝縮器に永久的に残らない場合に選択され得る。この場合、分離ユニットＥは、作動媒体を洗浄しながら、特にイオン液体が吸着器に移送されるのを防止しながら、作動媒体をイオン液体から分離し、吸着器で作動媒体の吸着および脱着プロセスが確実に妨げられないようにし、そして個々の作動状態および個々の作動位相に応じて、蒸発器Ｖおよび凝縮器の両方に所定量のイオン液体を供給し続けるように意図されている。したがって、吸着ヒートポンプは、計量装置としても機能するように意図されている。
【００８３】
混合枝路ＭのリザーバＲは、分離ユニットとして機能する。リザーバの構造は、例えば、図７のように実現される。この場合、作動媒体とイオン液体との所定の量的比率は、作動媒体とイオン液体との分離が一定の温度で生じるように設定される。この温度は、調温によって分離ユニットＥにおいて達成され維持される。このことにより、作動媒体はイオン液体から分離する。相境界で互いに分離された２つの相が形成され、これらは分離ユニットから別個に排出され得る。
【００８４】
イオン液体の一部が、分離ユニット内の温度の臨界的な量的比率に対応する所定の限界値を超えると、作動媒体とイオン液体との分離がそこで生じる。このような場合、分離装置Ｅは、イオン液体用の捕捉または収集手段として機能する。このプロセスにおいて、イオン液体が送り出され、液体ラインを介して、例えば、蒸発器Ｖまたは凝縮器へと完全に再案内され得る。当然、設備の作動状態に応じて、液体ラインを介して作動媒体を移送することも可能である。
【００８５】
このアプローチはまた、作動回路内の循環する作動媒体とイオン液体との量的比率を簡単に調整することができる。この調整は、分離装置を調温することによって行われる。なぜなら、分離装置は、とにかく分離が開始される臨界的な量的比率を規定するからである。このことにより、分離ユニットの調温は、特に、吸着器Ａｄの温度または蒸発器および／または凝縮器の温度に関連付けられ、したがって、作動媒体中のイオン液体の量的比率および含有量の調整回路が確立され得る。したがって、蒸発器での大きな温度低下の場合に、例えば、循環する作動媒体から大量のイオン液体を回収して、蒸発器へと案内し、そこで作動媒体が凍結するのを防止するために、分離装置の調温は特に可能である。したがって、分離装置は、凍結防止装置の一部として機能する。
【００８６】
混合枝路Ｍ内の凝縮液戻りは、凝縮液戻りが目標通りに制御されるという１つの本質的側面においては、吸着ヒートポンプの通常運転中の凝縮作動媒体の通常の再導通とは異なる。この凝縮液戻りにより、作動媒体とイオン液体との量的比率が、より長い期間にわたって所望の範囲内で一定に保たれ得るので、蒸発プロセス全体の間、一貫して低い蒸気圧が保証され得、蒸発プロセスの終わり頃にイオン液体の濃縮プロセスの開始がわずかに遅延され得、そのことにより作動媒体の蒸気圧を制御することができる。
【００８７】
蒸発器内の作動媒体へのイオン液体の標的添加により、ひいては混合物の蒸気圧を吸着剤の平衡蒸気圧よりも大幅に低下させることにより、吸着プロセスも吸着剤が飽和する前に明確に終了され得る。このことは、吸着ヒートポンプがエネルギーを蓄えることを目的とする場合に有利である。例えば、蒸発器内の混合物の回収が制御された状態でも、凝縮液戻り部から作動媒体を加えることによって、吸着プロセスは、後の時点で再び継続され得る。この方法により、例えば、吸着器にエネルギーを蓄える目的で、吸着プロセスをバルブレスで中断させることができる。
【００８８】
蒸発器および凝縮器内のイオン液体の量を調節し、イオン液体を貯蔵するために、リザーバＲを機能性媒体戻り部に設けることもできる。
【００８９】
吸着ヒートポンプおよび吸着ヒートポンプの操作方法を、例示的な実施形態に基づいて説明してきた。当業者の活動の範囲内で、さらなる構成が可能である。また、さらなる実施形態が従属請求項によって構成されるであろう。
【符号の説明】
【００９０】
１  蒸気移送のための接続部
２  凝縮液戻りのための接続部
３  イオン液体を戻すための接続部
４  調温回路
５  蒸気チャンバ
６  混合物層
７  溶媒出口
８  水蒸気
９  イオン液体相
Ａ  作動回路
Ａｄ  吸着装置
Ａｄｓ  吸着剤、固体
Ａｄ１  第１の副吸着器
Ａｄ２  第２の副吸着器
ＤＶ  圧力弁
Ｅ  分離装置
Ｆ  液体半回路
ＦＭ  機能性媒体
ＦＲ  機能性媒体のリフローまたは戻り部
Ｇ  気体半回路
Ｋ  凝縮器
ＫＲ  凝縮液戻り部
Ｐ  ポンプ
Ｒ  リザーバ
Ｖ  蒸発器
Ｖ１‐Ｖ４  弁装置
Ｖ／Ｋ  蒸発器／凝縮器
Ｗ  熱伝達回路
Ｗ１  第１の熱搬送回路
Ｗ２  第２の熱搬送回路
【図１】
2019510954.tif 000003
【図２】
2019510954.tif 000004
【図３】
2019510954.tif 000005
【図４】
2019510954.tif 000006
【図５】
2019510954.tif 000007
【図６】
2019510954.tif 000008
【図７】
2019510954.tif 000009
【図８】
2019510954.tif 000010
【国際調査報告】
2019510954.tif 000011
2019510954.tif 000012
2019510954.tif 000013
2019510954.tif 000014
2019510954.tif 000015
2019510954.tif 000016